刘旭康,张利敏,王浩宇,王根全,王延荣,张丽

中国北方发动机研究所,天津 300400

0 引言

连杆小头衬套-活塞销是高功率密度柴油机的关键摩擦副之一,相比其它摩擦副,其润滑条件更为恶劣,飞溅润滑方式以及摆动特点导致其润滑油膜不易建立,极易出现混合润滑甚至干摩擦状态,导致连杆小头衬套异常磨损、高温烧蚀、衬套松脱等故障[1-2],甚至导致活塞开裂、拉缸等严重影响整机运行的情况,因此研究连杆小头衬套摩擦性能具有重要的意义。

张利敏等[3]研究发现,优化连杆小头衬套支撑厚度和圆角半径可明显降低其边缘接触压力;刘吉良等[4]通过在典型工作状态下的台架模拟试验发现,持续加载下的摩擦温升显著高于间隙加载的情况;樊文欣等[5]基于单因素试验对连杆衬套磨损量进行研究,结果表明磨损量与载荷、主轴转速因素呈正相关,与配合间隙呈负相关;王雪等[6]采用响应曲面法和方差分析法研究不同因素对衬套磨损的影响,结果表明载荷与配合间隙的交互作用对磨损影响比较显著;信松龄[7]利用AVL EXCITE软件建立了连杆小头轴承的动力学模型,分析了连杆小头轴承的润滑性能。上述研究表明,连杆小头衬套的摩擦性能受到多种因素的影响,但很难明确哪种因素的影响最大,而且仅仅以某一项参数作为评判依据,获得的结果往往不准确,不能合理评价连杆小头衬套摩擦性能。

为综合评价连杆小头衬套的摩擦性能,优化试验设计方案,提高连杆小头衬套的考核评价效率,降低评价试验成本,本文中使用摆动摩擦磨损试验台,结合柴油机实际工作中的典型工况,设计正交试验,获得摩擦转矩和摩擦温度,借助模糊数学的方法和理论综合研究其摩擦性能因素的影响程度,为连杆小头衬套摩擦性能评价试验的方案设计提供参考。

1 正交试验

1.1 试验装置

在摆动摩擦磨损试验台上模拟柴油机连杆小头衬套绕活塞销摆动的实际运动形式,试验装置由控制、测试、加载、冷却、润滑等部分构成。试验过程中,通过控制面板上的开关按钮实现液压伺服加载和主机系统的启动和停止,通过相应的频率、载荷、工作模式按钮实现摆动频率、施加载荷值与加载方式调节;通过转速、压力和转矩、温度传感器采集信号并经工控机处理后在显示屏上以数字和曲线形式显示,实现人机对话[8];试验所用的活塞销试件为某型高强化柴油机用活塞销,衬套是高强化铜合金旋压工艺制备;衬套与连接套在氮气环境中过盈装配而成,分别开有直径为5 mm的油孔,润滑油为装甲车辆用RP-4652D润滑油,润滑油的体积流量为3 L/min;在油孔正下方安装热电偶用于监测衬套承载中心外壁温度。测试系统实物图及试验装置测试原理分别如图1、2所示。

图1 试验台测试系统实物图 图2 摆动摩擦磨损试验台测试原理图

1.2 试验设计与结果

本文中选择摆动频率、施加载荷、加载方式作为正交试验的3个因素,前2个因素取4个水平,第3个因素取2个水平,设计试验方案,分析3种试验因素对连杆小头衬套摩擦性能的影响。摆动条件下正交试验因素水平如表1所示。试验前每个试样磨合30 min,随后进行多级频率和载荷工况试验,每级工况加载时间为10 min。

表1 摆动摩擦试验的正交试验因素水平

摆动摩擦试验结果如表2所示。由表2可知:摆动频率为1 Hz(方案1～4)时,随着施加载荷增大,摩擦转矩逐渐增大,但由于加载方式不同,方案3的摩擦温度低于方案2;摆动频率为3、7 Hz(方案5～8、13～16)时,当摆动频率相同时,随着施加载荷的增大,摩擦转矩和摩擦温度均未一直递增;摆动频率为5 Hz(方案9～12)时,方案10、11的摩擦转矩相同,但是摩擦温度不同;试验中3个因素都影响连杆小头衬套的摩擦性能,但在这些因素中,具体哪个因素对其摩擦特性影响较大,很难明确得到结论。若以摩擦转矩或者摩擦温度某一项作为评价指标,得到的结果往往不准确。

模糊综合评价法是将模糊数学运用于判别事物和系统的优劣,使得难以量化的定性问题能够进行定量分析的一种方法[9-10],该方法不仅考虑了试验数据的客观性,还考虑了专家偏好的主观性,目前在自润滑关节轴承[11]、水润滑尾轴承[12]等轴承领域得到了广泛的应用,这种基于模糊数学理论的方法同样适用于柴油机连杆小头衬套的摩擦特性分析,因此采用该方法对影响连杆小头衬套的摩擦性能因素进行综合评价。

2 模糊综合评价

2.1 模糊综合评价参数

选择摩擦转矩的数值Y1、摩擦温度的数值Y2作为模糊综合评价指标集,即Y={Y1,Y2}。对象集是16组试验,即X={X1,X2,…,X16}。

2.1.1 单调隶属函数

构造指标集与对象集之间的从属关系,建立指标集与对象集之间的模糊评价矩阵进行模糊综合评价。在柴油机连杆小头衬套摩擦性能综合评价过程中,根据模糊数学原理,确定各对象集对指标集中各元素的隶属函数,即构建连杆小头衬套隶属函数,确定隶属度,是整个评价连杆小头衬套摩擦性能的关键。当摩擦转矩和摩擦温度较小时,连杆小头衬套具有更好的摩擦性能,因此这2项评价指标均属于偏小型指标[13],其单调隶属函数是:

(1)

式中:Ymn为第n个试验方案第m评价指标的实测结果;m为评价指标数,m=1,2;n为试验方案编号,n=1,2,…,16。

根据式(1)计算得到的单指标摩擦转矩Y1n、摩擦温度Y2n的隶属度γ1n、γ2n的模糊综合评价结果如表3所示。

2.1.2 模糊综合评价矩阵

摩擦温度一定程度上能够反映连杆小头衬套在不同工况下参数的变化、预测运行故障,尤其对衬套烧伤的诊断效果比较可靠[14]。连杆小头衬套综合评价向量与模糊评价矩阵和参数综合权重向量有关,表明衬套对评价结果的隶属程度,可表示为:

B=A∘R={b1,b2,…,b16},

式中:B表示模糊子集,A为权重分配集,∘表示模糊合成算子,R为单因素模糊评价矩阵,bi为集合B的隶属度。

查阅大量文献并征求专家意见,确定权重分配集A={0.4/Y1,0.6/Y2}。常见的模糊合成算子有M(∧,∨)、M(•,∨)、M(∧, ⨁)、M(•,⨁)[9],本文选用M(•,⨁)算子,该算子不仅能体现权数作用,还能充分利用模糊评价矩阵的信息,具有良好的综合效果。

通过加权平均模型M(•, ⨁)算子,可得b1～b16依次为1.000 0、0.833 6、0.836 4、0.625 6、0.899 2、0.813 6、0.419 8、0.810 6、0.957 2、0.508 2、0.638 4、0.222 0、0.769 4、0.602 2、0.100 0、0.487 2。

2.2 试验结果模糊分析

2.2.1 单因素主效应

影响衬套摩擦性能的各因素定义为Ci,其论域为Zi,则有Zi={Cij},Cij为某因素的影响水平,i=1,2,3,分别代表摆动频率、施加载荷、加载方式3个试验因素;j为各因素的水平;当i=1、2时,j=1,2,3,4;当i=3时,j=1,2。

依据最大隶属度原则,各因素的影响程度依次是a1=0.313 2,a2=0.344 5,a3=0.292 0,即a2>a1>a3,得出单因素主效应结果从大到小排列是施加载荷、摆动频率、加载方式。

2.2.2 双因素交互效应

双因素交互试验中双因素各水平之间存在许多种组合方式,以因素C1与因素C2之间的交互作用为例,评价彼此交互效应的模糊矩阵

(2)

将因素C1、C2的值代入式(1),可得:

根据最大隶属度原则评判双因素之间的交互效应,单纯考虑C1与C2的搭配,C11与C21组合的交互效应最大,模糊综合评价值为0.313 2。

同理得到另外因素两两之间的交互效应和隶属度分别是R11和R31,0.292 0;R21和R31,0.292 0。由此得出,摆动频率与施加载荷的交互效应最大。

3 结论

结合柴油机实际中的典型工况,设计正交试验,获得摩擦转矩和摩擦温度;基于试验数据,借助模糊数学方法研究其摩擦性能因素的影响,为连杆小头衬套性能评价试验的方案设计提供参考。

1)单因素对连杆小头衬套摩擦性能的影响效应从大到小依次是施加载荷、摆动频率、加载方式;摆动频率与施加载荷的交互效应对摩擦性能的影响最大。

2)模糊综合评价方法将正交试验中的多指标问题转化成单指标问题,借助模糊数学手段将难以量化的定性问题转化为定量分析,可直观对比不同因素的影响程度。

3)考虑增加载荷评估比重,优化试验设计方案,可有效提高连杆小头衬套的考核评价效率,降低评价试验成本。